光学复习课件

1、目录第一节 几何光学的基本定律第二节 光学系统的物像概念 结束第一节 几何光学的基本定律一、几何光学的点、线、面二、几何光学的基本定律三、费马原理同心光束：点光源发射球面波各条光线都汇聚于一点，光束只有一个中心-同心光束 球面波-同心光束一、几何光学的点、线、面非同心光束发散同心光束汇聚同心光束点光源发射发散同心光束一、几何光学的点、线、面光学系统光学系统同心光束非同心光束点物发射同心光束，经过光学系统变换后出射，仍为同心光束完善成像同心光束点物发射同心光束，经过光学系统变换后出射，为非同心光束非完善成像2 光的独立传播定律当两束或多束光在空间相遇时，各光线的传播不会受其它光线的影响。3光的折

2、射定律和反射定律CABA反射定律入射光线、入射点界面的法线、反射光线三者共面，入射光线与反射光线分居于法线的两侧，且入射角与反射角绝对值相等。一束光线由折射率为n的介质射向折射率为n的介质，在分界面上，一部分光线将被反射，另一部分光线将被折射，反射光线和折射光线的传播方向将遵循反射定律和折射定律。角度正负规定：由光线转向法线，顺时针为正，逆时针为负光路可逆性：沿出射方向入射一束光线，此时光线沿原路返回 利用光路的可逆性可以由物求像，也可以由像求物。TEXTTEXTTEXT全反射现象:光从折射率为n的光密介质射入，折射率为 的光疏介质n介质称为光密介质 称为光束介质 假设根据折射定律全反射现象条

3、件：光从光密介质射入的光疏介质第二节 光学系统的物像概念二、物和像实物：物方光线实际相交的点为实物点；实像：像方光线实际相交的点为实像点；虚物：物方光线延长后相交点为虚物点；虚像：像方光线延长后相交的点为虚像点a）实物成实像 (b) 实物成虚像 (c) 虚物成实像 (d) 虚物成虚像虚物和虚像物方光线延长线交点像方光线反向延长线交点BA返 回四、物像的相对性物和像都是相对于某一成像系统而言物体连续经过几个成像系统，则前一个系统所成的像即成为下一系统的物 如此不断成像得到最终的像实物、虚物、实像、虚像视情况而定，但作为第一个（原始、出发的）物一定是“实体”。第一节 符号规则光路计算必须掌握-自学

4、1、单球面成像的光路计算AArELL-U物点发出的同心光束经过球面成像后，不再是同心光束点物无法成点像 为不完善成像讨论近轴区（靠近光轴区域）光线成像AArE-l-uulii近轴区光光线成像，l 与入射孔径角u（或h）的大小无关,不同孔径角对应相同l出射光束为同心光束-有唯一成像点，完善成像 2、近轴区域的物像关系对近轴成像公式作线性变换，可推导出如下计算式（2-14）单球面界面折射成像高斯公式C3、近轴区域的物像放大率 （2-16）3、近轴区域的物像放大率 轴向放大率 当物体在给定位置沿轴有一微量位移dl，其像也在像点位置处有一微量位移dl，定义dl与dl的比值为轴向放大率，用表示ABAB上

5、式表明：垂轴放大率与轴向放大率一般情况不相同，如果有一个正方体物体经光学系统成像，其像将不再是正方体第三节 单个反射球面的成像（2-26）（2-27）（2-28）（2-29）单个反射球面成像可看作单球面折射成像时，n=- n的特例，令n=- n=-1，由单球面折射成像公式 ：（2-25）折射成像公式反射成像公式第四节 共轴球面系统的成像光学系统中的所有界面均为球面，该光学系统称为球面系统。所有球面的球心都在同一条直线上，称为共轴球面系统采用逐次成像法研究共轴球面光学系统成像问题C1n1C3O3n2(n3)n3n1(n2)O2C2O1u1(u2)h1-u1-u2u3-u3h2h3A1B1y1-y

6、1（y2）B1（B2）A1（A2）A2（A3）y2（y3）B2（B3）B3A3-y3l2r1l1-l1-l2r2d1d1-l2r3l3第四节 共轴球面系统的成像 对第一面作单个球面成像计算求得（l1、u1、y1）； 用过渡公式由（l1、u1、y1）求得（l2、u2、y2）； 对第二面作单个球面成像计算求得（l2、u2、y2）； 用过渡公式由（l2、u2、y2）求得（l3、u3、y3）； 对第k面作单个球面成像计算求得（lk、 uk、yk）。第四节 共轴球面系统的成像共轴球面系统的放大率就是各面放大率的乘积，即（2-35）（2-36）（2-37）三个放大率之间的关系依然成立 （2-38） 第四节

7、 共轴球面系统的成像C1n1C3O3n2(n3)n3n1(n2)O2C2O1u1(u2)h1-u1-u2u3-u3h2h3A1B1y1-y1（y2）B1（B2）A1（A2）A2（A3）y2（y3）B2（B3）B3A3-y3l2r1l1-l1-l2r2d1d1-l2r3l3复习了解概念和计算，考试内容不多1、理想光学系统的共线理论 2、理想光学系统的基点与基面 3、理想光学系统的物像关系4、理想光学系统的多光组成像5、实际光学系统的基点和基面 第三章 理想光学系统第一节 理想光学系统的共线理论理想光学系统：对任意大的空间和任意宽的光束都能完善成像了解-理想光学系统理论内容：不专门介绍1、任一物点

8、在像空间都有一个和它唯一对应的像点2、物空间任一条直线，则在像空间也有对应的唯一直线；3、物空间任一平面，像空间也有唯一的对应平面。这种点对应点、直线对应直线、平面对应平面的成像变换即称之共线成像，这种物像一一对应的关系称之为共轭关系。第二节 理想光学系统的基点与基面理想光学系统的基点和基面包括了这样一些特殊的共轭点和共轭面：无限远的轴上物点和它对应的共轭像点（像方焦点 ）；无限远的轴上像点和它对应的共轭物点（物方焦点 ） ；一对垂轴放大率等于+1的共轭平面（主面）；一对角放大率等于+1的共轭点（节点）。第二节 理想光学系统的基点与基面1、无限远的轴上物点和它所对应的像点F像方焦点 如图3-2

9、所示 , F称为系统的像方焦点 。 F与无穷远轴上物点为一对物像共轭点。过F点作垂直于光轴的平面，该平面称之为系统的像方焦平面。F图3-2像方焦点和像方焦平面具有以下性质：1任意一条平行于光轴的物方入射光线，在像方一定通过像方焦点F。2与光轴成一定夹角的斜入射平行光束，在像方会聚于像方焦平面上的一个轴外点。轴外点的位置与斜平行光的角度相对应。 第二节 理想光学系统的基点与基面FFA2、无限远的轴上像点和它对应的物方共轭点F物方焦点 过F点垂直于光轴的平面，此平面称之为物方焦平面，物方焦平面与像方无限远处垂直于光轴的像平面共轭。 第二节 理想光学系统的基点与基面FF物方焦点和物方焦平面具有以下性

10、质： 1从F点发出的光线经过光学系统后将平行于光轴出射，交于无限远的轴上点，即F与像方无限远的轴上点共轭；2物方焦平面上的轴外一点A发出的光束经过光学系统后将以与光轴成某一夹角的斜平行光束出射，交于无限远的轴外点。物方焦面上点的位置与出射斜平行光束的角度一一对应。 第二节 理想光学系统的基点与基面AFFF3、垂轴放大率 的一对共轭面主平面 不同位置的共轭面对应着不同的放大率，存在一对垂轴共轭面，其垂轴放大率等于+1-共轭平面称为主平面（简称主面）主面与光轴的交点称为主点。在物方的-物方主面和物方主点，物方主点用H表示；在像方的称为像方主面和像方主点，像方主点用H表示。 第二节 理想光学系统的基

11、点与基面HHQQ第二节 理想光学系统的基点与基面位于物方主平面上物点Q，其共轭像点Q位于像方主平面物点Q与像点Q位于光轴同侧，且到光轴距离相等通过物方主平面上物点Q光线，其共轭光线一定通过像点Q 5、理像光组的节点 角放大率为+1的一对共轭点，称之为节点，用J、J表示。 一条光线通过物方节点J入射，则其共轭光线必通过像方节点J，且与入射光线平行。当系统物、像方位于同一介质中，节点与主点分别在物像方重合。第二节 理想光学系统的基点与基面JJFHHAMMF1QQA当给定了一个理想光学系统主面和焦点，可以对任意的物（像）位置及大小求出其像（物）的位置及大小，其方法可采用作图法或解析法。1、作图法求像

12、 2、解析法求像 第三节 理想光学系统的物像关系返回下一节1、作图法求像 常借助的典型光线为： 平行于光轴的入射光线；该光线经系统后的共轭光线通过像方焦点F。1、作图法求像 过物方焦点F的入射光线；该光线经系统后的共轭光线平行于光轴。 过物方节点J的光线，该光线经系统后的共轭光线将通过像方节点J，且与物方的入射光线平行。 物方的斜射平行光束；该光束经系统后的共轭光束会聚于像方焦平面上的轴外某点。 自物方焦平面上轴外某点发出的光束；该光束经系统后成为像方的斜射平行光束。 1）作过A点任一光线1，交物方主平面于M点 2）过物方焦点F，作平行于光线1的光线2，与物方主平面交于N点，1、2两条光线可认

13、为是无穷远处轴外点发射平行光束中的两条光线，两应交于像方焦平面上一点 3）过N的共轭点，作平行于光轴光线，与像方焦平面交于点；4）过M的共轭点作光线1共轭光线，该光线经过，与光轴的交点就为A的像点例题3-4：负光组求像原则上同例题3-2，但要注意，负光组物像方焦点的位置！1、作图法求像 AABBHHPPFFQQAAHHNNFFMM1、作图法求像 BB例题3-5：虚物求像 物像位置的计算: 牛顿公式 ; 高斯公式2、解析法求像 牛顿公式物方焦点位于 物方主点左侧像方焦点位于像方主点右侧2、解析法求像 高斯公式(3-4) 物距 :物点与物方主点间距物点位于物方主点左侧像距 :像点与像方焦点间距像点

14、位于像方焦点左侧 理想光学系统的放大率垂轴放大率 2、解析法求像 （3-5） 垂轴放大率定义式 （3-6）（3-7）牛顿公式的垂轴放大率公式高斯公式的垂轴放大率公式 单折射球面 角放大率2、解析法求像 （3-12） （3-13） （3-14） 三种放大率之间的关系式 （3-15） 表3-1 放大率比较表2、解析法求像 系统名称放大率名称单个折射球面放大率计算理想光学系统放大率计算物像方处于不同介质物像方处于相同介质垂轴放大率轴向放大率角放大率拉赫不变量J2、解析法求像 近轴条件下单个折射球面-近似为理想成像系统成像公式可表示为其像方和物方主点重合-都为顶点o成像公式推导代入即可牛顿公式同样适用

15、于近轴条件下单个折射球面成像第四节 理想光学系统的多光组成像A1A3F1F1F2A1（A2）A2（A3）1F3F2F3u1u1u2-l1l1-l2d1理想光学系统的多光组-由多个理想光学系统做成的新系统3.4.1、多光组成像的一般过程图3-16 理想光组的多光组成像多光组成像计算采用逐次成像法-上一系统所成像为下系统成像的物相邻系统物理量过渡公式：A1A3F1F1F2A1（A2）A2（A3）1F3F2F3u1u1u2-l1l1-l2d13.4.2、双光组组合FF1F1F2F2uu-f-lFHH1H1H2H2Q-lHHFQ1Q1Q2Q2QN1N1N2N2fR1R1-xFxFE1E2-xHxHlF

16、lHR2R2将包含两理想光学组系统等效为单个光学系统-确定等效光学系统主平面、像方焦点和物方焦点的位置（1）、作图确定双光组组合的等效系统的基点和基面 作图确定双光组组合的等效系统的像方焦点和像方主平面-（黑板板书）作图确定双光组组合的等效系统的物方焦点和物方主平面-（黑板板书）3.4.2、双光组组合FF1F1F2F2uu-f-lFHH1H1H2H2Q-lHHFQ1Q1Q2Q2QN1N1N2N2fR1R1-xFxFE1E2-xHxHlFlHR2R22、双光组组合的计算-基点基面位置的解析式3.4.2、双光组组合FF1F1F2F2uu-f-lFHH1H1H2H2Q-lHHFQ1Q1Q2Q2QN1

17、N1N2N2fR1R1-xFxFE1E2-xHxHlFlHR2R2过度公式像方焦点像方主点黑板板书正负规定FF1F1F2F2uu-f-lFHH1H1H2H2Q-lHHFQ1Q1Q2Q2QN1N1N2N2fR1R1-xFxFE1E2-xHxHlFlHR2R23.4.2、双光组组合2、双光组组合的计算-基点基面位置的解析式物方焦点：物方主点：重点：基点概念作图第四章 平面系统第一节 平面镜平面光学元件-平面反射镜、反射棱镜、平行平板、折射棱镜等作用：成像、改变光的方向、色散等平面镜即平面反射镜4.1.1 单平面镜的成像特性1. 平面镜所成之像与物关于平面镜对称PO1ONPMPO1ONPM平面镜是唯

18、一能够严格满足完善成像的光学元件2. 物与像虚实相反 3. 像正立且与物等大4.1.1 单平面镜的成像特性yzxO2O1Oz y x 平面镜所成像与物为镜像关系上述特性用坐标系变化描述像与实际物特性有差别例：物顺时针转动 像逆时针转动单次反射成像可将右手坐标系变化为左手坐标系或将左手坐标系变化为右手坐标系两次反射成像坐标系特性不变-物像特性也相同-（举例夹角90反射镜成像）推论： 物体遇奇数次反射成镜像，遇偶数次反射成一致像。4.2.2 棱镜系统成像的物像坐标变化 坐标判断方法归纳如下(掌握） 沿着光轴的坐标轴（如图中的z轴）在整个成像过程中始终保持沿着光轴； 垂直于主截面的坐标轴（如图中的x

19、轴）在一般情况下保持与物坐标同向，但当遇有屋脊面时，每经过一个屋脊面反向一次（如图4-13b）； 在主截面内的坐标轴（如图中的y轴）由平面镜的成像性质来判断，奇次反射成镜像，偶次反射成一致像，奇数次反射左右手系改变，偶数次反射坐标系不变。注意，每一屋脊面被认为是两次反射。 利用图14-12和图14-13验证课后计算题，要求掌握（有考试内容） 第五章 光学系统计算考试重点5.1 概述光阑: 在光学系统中，对光束起限制作用的光学元件光阑分为以下几种： 光路中认为设置的孔、透镜边缘对光有限制作用-都是光阑孔径光阑视场光阑渐晕光阑5.1 概述5.1.1孔径光阑：孔径光阑：光学系统中用于限制成像光束大小的光阑视场光阑:在光学系统中，用于限制成像范围大小的光阑视场:光学系统中描述成像范围大小的参量称为5.2.3 入射光瞳和出射光瞳 QL2L1Ex.PEn.PA.S.物M.R.C.R.像Q入射光瞳：孔径光阑在物方空间的共轭“像”-简称入瞳